五軸數(shù)控銑削加工后置處理及其加工編程

丘宏岳

摘要：在數(shù)控技術(shù)中，與三軸加工相比，五軸數(shù)控技術(shù)的應用在復雜曲面加工過程中具有很高的優(yōu)勢，高性能的五軸數(shù)控銑削加工關(guān)系到包括導彈、飛機等武器關(guān)鍵零部件的制造水平，因此當前眾多國家都對五軸數(shù)控加工技術(shù)在進行不斷地研究提高。但是由于數(shù)控機床的運動復雜性和結(jié)構(gòu)多樣性，導致五軸數(shù)控加工過程中要實現(xiàn)預期的后置處理以及加工編程效果，會具有比較高的技術(shù)難度，對于數(shù)控機床的運行效率也產(chǎn)生了比較大的制約。本文針對五軸數(shù)控技術(shù)在銑削加工中的應用進行了探討，并重點分析了五軸數(shù)控銑削加工的后置處理算法以及相應的加工編程。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控;銑削加工;后置處理;加工編程

0 ?引言

在五軸數(shù)控銑削加工過程中，CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)是沒有包括數(shù)控系統(tǒng)以及機床相關(guān)信息的，后置處理是一種特定的數(shù)控加工程序，它的應用能夠?qū)Φ段粩?shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，使其能夠?qū)ξ遢S數(shù)控機床的具體運動加以精準控制。在零部件的加工質(zhì)量和加工效率方面，后置處理水平的高低具有直接的決定作用。與此同時，后置處理水平也影響著五軸數(shù)控機床在運行過程中的可靠穩(wěn)定性。后置處理過程主要需要對機床的運動數(shù)據(jù)進行裝換，校驗非線性運動的誤差性，校驗刀具的進給速度，以及生成數(shù)控加工的程序。

1 ?五軸數(shù)控機床概述

五軸數(shù)控機床是指機床具有五個能夠互相聯(lián)動的運動軸，其中轉(zhuǎn)動軸有兩個，平動軸有三個。如圖1所示，XYZ三個軸是平動軸，ABC三個軸中繞XYZ軸進行旋轉(zhuǎn)的任兩個軸就是旋轉(zhuǎn)軸，通過右手螺旋法則進行旋轉(zhuǎn)軸正方向和的確定。五軸數(shù)控機床與其他數(shù)控加工技術(shù)相比，其適用范圍非常廣泛，而且在具有較高復雜性的曲面型零件的加工過程中，具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，能夠保證零件的加工質(zhì)量和加工效率。這是因為五軸數(shù)控機床中的回轉(zhuǎn)控制軸有兩個，在進行切削的時候，工件和刀具之間的相對位置能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度的變化，從而使刀具切削過程中不發(fā)生干涉現(xiàn)象實現(xiàn)最理想的切削質(zhì)量。根據(jù)運動軸配置型式的不同，五軸數(shù)控機床分為擺頭轉(zhuǎn)臺型、雙轉(zhuǎn)臺型以及雙擺頭型三種[1]。擺頭轉(zhuǎn)臺型的五軸數(shù)控機床是基于三軸機床的現(xiàn)有功能，再加上具有更多功能的主軸頭實現(xiàn)的，比如轉(zhuǎn)動與擺動、工作臺傾斜與數(shù)控回轉(zhuǎn)等。在雙轉(zhuǎn)臺型的五軸機床上，工件會同時受到兩個旋轉(zhuǎn)軸的作用，運動軸形式包括B-A、A-B、B-C、A-C。在這一類型的五軸數(shù)控機床中主軸具有很高的剛性，且結(jié)構(gòu)也不會過于復雜。但是由于工件的負載能力比較小，所以通常將其進行小型零部件的加工。與雙轉(zhuǎn)頭型的五軸數(shù)控機床的作用機理不同，雙擺頭型的五軸數(shù)控機床中，旋轉(zhuǎn)軸都是對刀具進行作用，具體包括C-A、A-B、C-B、B-A。這一類型的五軸數(shù)控機床可以設(shè)計面積比較大的工作臺，且在零部件加工過程中主軸具有很高的靈活性。與此同時，因為擺動機構(gòu)具有較強的復雜性，所以剛性比較低，實際應用過程中需要特別注意。

2 ?五軸數(shù)控機床的后置處理

2.1 后置處理算法概述

在進行后置處理時，主要是要將存儲于編程刀位文件里的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，使其成為五軸數(shù)控機床銑削加工中的具體運動坐標，因為刀位文件中是以編程坐標系為基準的刀軸矢量和刀心坐標，無法直接加以應用。這一坐標轉(zhuǎn)換過程，以數(shù)學方向進行分析，就是對圖形進行一定的變換坐標操作。基于運動關(guān)系不同的五軸數(shù)控機床，在進行轉(zhuǎn)換的時候，具體方法也存在一定的差異性。

2.2 刀具擺動型五軸機床的后置處理算法

如圖2所示，是刀具擺動型五軸機床中刀擺的示意圖。C0是刀心的位置，Ch0是擺刀的中心，兩者之間的刀長距離是L，圍繞z軸刀具能夠轉(zhuǎn)動C角，繞X軸刀具的擺動角是A。C0的坐標是（xc0，yc0，zc0），刀軸矢量a的坐標是（ax，ay，az），X Y C Z是機床的運動坐標。以C0作為擺動中心，圍繞X軸Ch0的擺動角A，對其進行以下矩陣轉(zhuǎn)換：

2.3 有回轉(zhuǎn)工作臺五軸機床的后置處理算法

如圖3所示，是XYZAC類型五軸數(shù)控機床的矢量轉(zhuǎn)動關(guān)系圖。Z軸和工作臺的回轉(zhuǎn)軸具有一致性，繞X軸工件的擺動角是A，繞C軸工件的擺動角是C，五軸數(shù)控機床的運動坐標系是XR YR ZR 0R，OR*OW=d。刀心C0的坐標是（xc0，yc0，zc0），刀軸矢量a是自由矢量，其坐標是（ax，ay，az）。A，C，X，Y，Z 5項機床的運動坐標的計算如下[2]。先將a和工件的坐標系原點重合，再令a順時針沿著Z軸轉(zhuǎn)到（+Z）（-Y）平面，令a順時針旋轉(zhuǎn)到Z軸方向，確保圍繞X軸旋轉(zhuǎn)的時候，刀具的轉(zhuǎn)動角能夠控制在0°至90°的范圍之內(nèi)。A的計算方式如下：

3 ?五軸加工編程實例分析

3.1 制定加工方案與工藝

需求為某一油田加工鉆井的鉆頭，可以通過對鋼體材質(zhì)的PDC鉆頭基于 CIMATRON E軟件的應用進行五軸數(shù)控加工編程，完成加工編程之后，利用后置處理程序進行五軸仿真加工的驗證，確保加工編程結(jié)果的準確性[3]。首先，要建立該鋼體材質(zhì)PDC鉆頭的三維模型，掌握鉆頭最小圓角的半徑、寬度以及深度等尺寸參數(shù)，基于結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和具體特征進行加工工藝的分析總結(jié)。通過測量可知，該鉆頭結(jié)構(gòu)中齒根部的圓角半徑為R6，最大的輪廓直徑為214mm，整體高度為209mm。且通過分析測算可知，在齒頂?shù)陌疾畚恢茫渥钚〉那拾霃绞?mm，在對鉆頭這一位置進行精加工的時候，刀具的選用要考量到這一尺寸數(shù)據(jù)的大小。根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可得，對這一鉆頭零件進行數(shù)控加工時，如果使用三軸數(shù)控加工技術(shù)，加工過程中要進行多次的裝夾操作，工作量很大，在裝夾過程中，很難對精確度進行有效的控制，具有很高的加工難度。綜上，對該鉆頭零件制定了如下加工方案，先通過三軸數(shù)控機床完成鉆頭的粗加工與半精加工，之后再利用五軸數(shù)控機床，完成最后階段的精加工。

3.2 三軸粗加工與半精加工編程

鉆頭零件的粗加工與半精加工都是在三軸數(shù)控機床上完成的，具體加工編程基于 CIMATRON E軟件進行，粗加工過程使用體積銑中的環(huán)切刀路，半精加工則是使用體積銑中二次開粗的功能。粗加工過程必須保證刀具選擇的合理性，在對鉆頭的內(nèi)部主體和上表面進行粗銑時鑲片式的環(huán)形刀能夠滿足受限尺寸要求，刀具底部的圓角半徑為R5，直徑為35mm，切削的行間距要控制在28mm。在對拐角以及凹槽等局部位置進行粗銑的時候，要使用底部的圓角半徑為R4，直徑為16mm的鑲片式的環(huán)形刀，切削的行間距則要控制在12mm。上述兩部分的粗銑加工的余量均要控制在5mm，單次切削的深度也要控制在0.4mm[4]。半精加工要對鉆頭的淺斜面、陡斜面、淺平面以及里面進行加工，結(jié)合鉆頭型腔的結(jié)構(gòu)特性，使用整體式的12mm直徑的球頭立銑刀，切削的行間距要控制在6mm，單次切削深度要控制在2mm。

3.3 五軸精加工

鉆頭齒頂位置的凹槽以及型面利用五軸數(shù)控機床進行精加工，基于 CIMATRON E軟件中的五軸編程功能進行。在選擇機床的時候，機床必須具備五軸聯(lián)動的加工功能。加工銑削刀具選擇直徑為10mm整體式的球頭銑刀。結(jié)合齒頂位置的凹槽的倒扣結(jié)構(gòu)特點，再加上實際加工空間比較狹小，生成刀路軌跡要與曲線平行。與此同時，為了防止出現(xiàn)干涉問題，要選擇從曲線傾斜的控制刀軸方式。立臥轉(zhuǎn)換是五軸數(shù)控機床精加工鉆頭的外型面的時候要使用的功能，該功能可以對四個工位完成銑削加工[5]。選擇CIMATRON E軟件中的根據(jù)角度曲面作為具體的編程方式，單次銑削厚度控制在0.25mm。

4 ?結(jié)束語

在國內(nèi)外的數(shù)控加工領(lǐng)域中，五軸加工技術(shù)一直是非常熱門的研究方向，其加工過程中的自動化和精密高效特性使其在很多行業(yè)中都具有非常廣闊的應用前景，且具體加工過程中的優(yōu)勢非常明顯。作為五軸數(shù)控加工技術(shù)中的關(guān)鍵，后置處理和加工編程是決定五軸數(shù)控加工質(zhì)量和效率水平的重要因素，實際意義過程中，必須嚴格遵照相關(guān)的標準要求。

參考文獻：

[1]黃桂武.五軸數(shù)控銑削加工后置處理及其加工編程[J].機械研究與應用，2020，33（02）：151-153，157.

[2]宗冬芳.試論模具深腔曲面多軸數(shù)控銑削加工技術(shù)[J/OL].中國培訓：1[2020-06-01].https：//doi.org/10.14149/j.cnki.ct.20170615.

408.

[3]干為民.五軸數(shù)控電解銑削開槽加工整體渦輪盤的試驗研究[C].中國機械工程學會特種加工分會.2016年全國電化學加工技術(shù)研討會會議論文集.中國機械工程學會特種加工分會：中國機械工程學會，2016：70-77.

[4]周立波，吳昊.內(nèi)球面多軸銑削加工工藝的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2016（06）：149-151，154.

[5]劉燦，侯磊，馬泳濤.非正交五軸數(shù)控機床加工整體葉輪的編程工藝研究[J].煤礦機電，2015（06）：45-47.